Optimization of grain mass threshing regimes in stationary conditions

Abstract

It is shown that automatic control system of grain mass threshing used in field or in stationary conditions will decrease rack, sieve and cylinder losses of grain, will ensure stable operation of suction conveyor.

Full Text

УДК 631.354 ТСМ № 11-2014 Оптимизация режимов обмолота хлебной массы на стационаре Канд. техн. наук Г.Н. Поляков, д-ра техн. наук С.Н. Шуханов, П.А. Болоев (Иркутская ГСХА, shuhanov56@mail.ru) Аннотация. Показано, что система автоматического регулирования обмолота хлебной массы в поле или при стационарном обмолоте снизит сходы зерна в солому и с очистки, недомолот зерна, обеспечит устойчивую работу пневмоконвейера. Ключевые слова: молотильный аппарат, комбайн, стационарная молотилка, обмолот, сепарация, система автоматического регулирования режимов обмолота. В комбайнах и стационарных молотилках с молотильными аппаратами, оборудованными решетчатым подбарабаньем, значительная часть зерна отделяется от соломы еще в процессе обмолота. Далее зерно выделяется в соломосепараторе, качество работы которого оценивается по потерям зерна с соломой и засоренности вороха, передаваемого на очистку. Кроме того, следует учитывать приспособленность к работе в различных условиях: на влажном и сухом хлебе, полях с неровным рельефом и т.д. Поступающий из молотильного аппарата ворох на соломотрясе подвергается следующим друг за другом встряхиваниям и ворошениям, при каждом из которых слой перемещается вдоль соломотряса к выходу из молотилки. Вероятность w просеивания зерна под соломотряс за одно встряхивание равна произведению вероятности æ просеивания сквозь слой соломы и вероятности λ просеивания сквозь отверстия рабочей поверхности соломотряса: w= æ λ , (1) причем , где - суммарная площадь отверстий рабочей поверхности; - площадь рабочей поверхности соломотряса. Если промежуток времени между встряхиваниями равен , то перемещение вороха вдоль соломотряса, при котором осуществится вероятность w, равно: . (2) Вероятность просеивания на 1 м пути перемещения слоя вдоль соломотряса: . (3) Для данного соломотряса вероятности w и зависят от толщины, состава, влажности, упругости и ряда других свойств слоя вороха. Процесс просеивания зерна на соломотрясе может быть охарактеризован дифференциальным уравнением: , (4) где - подача зерна на элемент длиной , находящийся на расстоянии у от начала соломотряса. Интегрируя дифференциальное уравнение, получаем: ; , (5) где - сход зерна с соломотряса, кг/с; - подача зерна на соломотряс, кг/с; - длина соломотряса, м. Тогда сход зерна с соломотряса, %, определим по формуле: , (6) где b - количество зерна, выделенного из вороха подбарабаньем молотильного аппарата, %. Длину соломотряса, обеспечивающую при заданной подаче потери не выше допустимых, найдем из выражения [1]: Lc = , (7) где р0 - допустимые расчетные потери свободного зерна с соломой. В первом приближении можно считать, что изменение коэффициента с толщиной слоя подчиняется зависимости: , (8) где m = 0,8…1,2, причем нижние значения относятся к легким условиям работы, а верхние - к тяжелым. Значение коэффициента просеивания , соответствующее толщине слоя Н0, вычисляется на основании опытных данных по формуле: = . (9) По опытным данным значения получены в довольно широких пределах: . Очистка для выделения зерна из вороха, поступающего из-под молотильного аппарата и соломотряса, состоит из решетных станов на подвесках и вентилятора. Качество работы очистки зависит от воздушного потока, размеров решет и их отверстий, а также от кинематики решет. В зависимости от качества вороха силу и направление создаваемого вентилятором воздушного потока изменяют щитками, расположенными внутри канала вентилятора, открытием входных окон вентиляторов или изменением частоты вращения [2]. Сегодня для обеспечения более эффективной работы ведущие производители оснащают тракторы и комбайны электронными средствами контроля и автоматизированного управления - бортовыми компьютерами [3]. Качество выполнения технологических операций обеспечивается системой настройки таких параметров, как частота вращения молотильного барабана и вентилятора очистки, регулировкой зазоров открытия жалюзи, деки и др. Это позволяет поддерживать равномерность потока хлебной массы и стабилизировать выделение зерна из соломистого вороха. Система управления контролирует нагрузку на механизм обмолота, а система поддержания постоянного потока зерна поддерживает эту нагрузку путем автоматического изменения скорости движения комбайна (при стационарном обмолоте - скорости подачи хлебной массы). Функционирование молотилки можно представить в виде математической модели [1]: , (10) где - показатели эффективности работы молотилки (производительность по зерну, потери за молотилкой, потери за адаптером, величина сорной примеси в бункере, величина дробления зерна, удельный расход топлива); z - условия эксплуатации (урожайность зерна, влажность зерна и соломы, коэффициент соломистости, засоренность и щуплость зерна); x - параметры настройки молотилки (скорость движения, частота вращения барабана и вентилятора очистки, зазор на входе и выходе из молотильного аппарата, величина открытия жалюзи верхнего и нижнего решет и др.). На основе этой модели можно решить задачу оптимизации по трем группам параметров, составить алгоритм адаптивного управления технологическим процессом, выявить направление совершенствования технологии уборки зерновых культур и разработать технические средства для его реализации. Например, динамика системы регулирования подачи хлебной массы в молотильный аппарат может быть выражена в следующих безразмерных координатах: - относительное изменение толщины слоя хлебной массы; - относительное изменение подачи хлебной массы в стационарную молотилку; - относительное изменение скорости движения хлебной массы в стационарную молотилку; - относительное отклонение положения датчиков. В связи с тем, что датчик регистрирует изменение толщины слоя хлебной массы на транспортере, выходная координата изменяется пропорционально изменениям входной координаты с определенным запаздыванием. Элемент с запаздыванием можно представить как последовательное соединение двух элементов: и . (11) Для элемента с запаздыванием передаточная функция равна [4]: (12) Поэтому связь между входной и выходной координатами в операторной форме элементов системы регулирования выразим так: (13) Если эту систему уравнений представить в изображениях переменных по Лапласу и решить ее относительно регулируемого параметра , то получим: (14) Передаточные функции этого уравнения для замкнутой системы регулирования: ; (15) , (16) где Тi - постоянные времени; k - безразмерные коэффициенты усиления. Передаточная функция разомкнутой системы: . (17) Характеристическое уравнение: . (18) При исследовании систем этого типа применяем амплитудно-фазовый критерий устойчивости, так как алгебраические имеют бесчисленное количество корней. Передаточные функции разомкнутой системы можно представить в следующем виде: , (19) где . Для частотной характеристики при . (20) Если - модуль функции , а - ее аргумент, то , (21) поэтому . Таким образом, модули векторов и для каждого значения частоты одинаковы, а аргументы отличаются на фазу . Для устойчивости системы с запаздыванием, как в рассматриваемом случае, необходимо, чтобы амплитудно-фазовая характеристика пересекла вещественную ось U в пределах отрезка от начала координат до точки с абсциссой, равной U = -1. Система автоматического регулирования режимов обмолота измельченного вороха при стационарной обработке всего биологического урожая снизит сходы свободного зерна в солому, недомолот и обеспечит устойчивую работу пневмоконвейера соломы и половы.